8 de mayo 2020
La identificación de muones es esencial para la física realizada en el LHC del CERN. CMS ha publicado recientemente nuevas técnicas para identificar muones de alto momento. Pero ¿qué tienen de especial este tipo de muones?
Uno de los principales objetivos del experimento CMS (Compact Muon Solenoid) es la búsqueda de nueva física en colisiones protón – protón del acelerador de partículas LHC del CERN. Gracias al detector CMS podemos estudiar nuevas partículas de alto momento a las cuales no era posible acceder en experimentos previos. Muchas de estas búsquedas implican estudiar sucesos con muones de alto momento producidos en la colisión. Por ejemplo, podría haber una nueva partícula que se desintegre a uno o varios muones de alta energía en el estado final. La probabilidad de producir estas nuevas partículas es muy baja, ya que si no fuera así ya habrían podido ser observadas.
El grupo de Física de Partículas del IFCA trabaja activamente tanto en la reconstrucción e identificación de muones, como en el sistema de alineamiento hardware del sistema de muones. El IFCA ha sido coordinador de ambos grupos dentro de la colaboración CMS y actualmente continúa su participación en el estudio de señales de nueva física con muones en el estado final.
Para asegurarnos de no perder la detección de ninguna de estas nuevas partículas, debemos tener una alta eficiencia de detección e identificación de los muones de alto momento y asegurar una buena precisión en la medida de sus propiedades. En un experimento como CMS, la reconstrucción e identificación de estos muones se vuelve cada vez más complicado y se deben desarrollar nuevas técnicas y algoritmos.
Los muones dejan señales en las capas más internas del detector central de trazas y en las cámaras de muones, localizadas en la parte más externa de CMS. Las trayectorias se reconstruyen utilizando algoritmos computacionales. Las trayectorias de los muones no son líneas rectas, ya que los muones son partículas cargadas cuyas trayectorias se curvan por el campo magnético del imán del CMS a medida que se mueven a través del detector. La dirección de la curvatura se usa para separar los muones cargados negativamente de los anti-muones cargados positivamente. Cuanto mayor es el momento, menos se desvía cada partícula por el campo magnético y más recta es la trayectoria. Dicha curvatura se usa para determinar el momento transversal de la partícula (pT).
En la siguiente imagen, se muestra una colisión medida por el experimento CMS con dos muones muy energéticos. Se pueden observar las trazas en la parte mas central, donde se encuentra el detector de trazas. De todas ellas, se identifican los dos muones que alcanzan las cámaras de muones en la parte más externa (en rojo). Estas trazas corresponden a muones de aproximadamente 500 GeV. Se puede ver que a simple vista parecen líneas rectas debido a su alta energía.
Figura 1: Visualización de eventos de dos muones de alto momento producidos en CMS, mostrados como líneas rojas que atraviesan los detectores de muones. El muón de la derecha está creando un chorro de partículas adicionales al cruzar la tercera capa del sistema de muones.
Hay varios aspectos que dificultan la reconstrucción de muones energéticos. A medida que aumenta la energía y la traza se vuelve más y más recta, resulta más difícil determinar el momento del muón a partir de su curvatura en el campo magnético. La reconstrucción de la traza del muón y la medida de su momento dependen de la información dejada en el detector central de trazas y en las cámaras de muones. Ambos sub-detectores se encuentran separados unos 3 m. Es por ello, que esta medida es muy dependiente del conocimiento de la posición de cada sub-detector. En el caso concreto de las cámaras de muones, se necesitan precisiones en su posición mejores que 0.1 milímetros. Esto requiere un gran esfuerzo en la medida de la posición de cada una de las cámaras, para reducir al mínimo posible el impacto de un posible "des-alineamiento" de dichas cámaras.
Un segundo efecto importante es que un muón de alta energía que viaja a través del hierro localizado entre las cámaras de muones, comenzará a perder energía a través de procesos radiativos. Se crea así una cascada de partículas (denominada chorro), lo que complica la medida de la trayectoria del muón, ya que los algoritmos de reconstrucción pueden confundir la verdadera traza con una de las nuevas partículas secundarias. Esta confusión conduce a una medida incorrecta del momento. En este caso particular, se ha desarrollado un nuevo algoritmo denominado "Tune P" que mejora la selección de las señales dejadas en las cámaras de muones, teniendo en cuenta la pérdida de energía del muón en dichas cascadas.
Los nuevos resultados muestran que CMS tiene una excelente eficiencia de reconstrucción de este tipo de muones hasta valores del momento en el orden de 1 TeV. A esta energía la resolución del momento medido es del orden de 5-6%.
Todas estas mejoras en la reconstrucción de muones nos permitirán buscar nuevas partículas con una eficiencia aún mayor y una mejor resolución, durante el LHC Run 3 a partir de 2021 y luego durante el LHC de alta luminosidad.
Para consultar la noticia en la web del CERN: http://cms.cern/news/enhancing-muon-compact-muon-solenoid
